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基坑开挖对下方既有地铁隧道的影响分析和监测

张启斌;霍知亮

【摘要】随着城市发展和地下空间的开发,越来越多的基坑工程横跨在既有地铁隧

道的上方,基坑开挖卸荷将改变下方地铁隧道的应力场,使其产生不均匀的回弹变形

和附加应力,从而对其安全稳定构成威胁.结合天津西站交通枢纽工程,研究基坑开挖

卸荷对土体物理力学指标的影响,建立了一种卸荷土体特性下的有限元模拟计算方

法,并应用“电水平尺”沉降自动监测系统对地铁隧道道床进行监测.研究结果表明,

两者数据匹配性较好,能够相互验证,实现了地铁运营期间智能化、信息化监测的目

的.

【期刊名称】《城市轨道交通研究》

【年(卷),期】2014(017)012

【总页数】6页(P39-44)

【关键词】基坑开挖;既有地铁隧道;影响分析;自动监测

【作者】张启斌;霍知亮

【作者单位】天津市市政工程设计研究院,300051,天津;天津大学建筑工程学

院,300072,天津

【正文语种】中文

【中图分类】TU433

随着城市建设项目数量和规模的迅速增大，常会出现基坑开挖对坑底下方的既有地

铁隧道的影响问题。天津西站综合交通枢纽的建设即为一例。为了修建天津西站的

相关运营设施，需要在既有天津地铁1号线上方大面积开挖基坑。这是该项工程

中遇到的关键技术难题之一。

国内许多学者对已建地铁隧道上方进行基坑开挖的工程进行了研究，主要研究方法

可分为实测法、数值法和理论分析法。文献［1］结合加拿大多伦多基坑工程位于

已建隧道之上的工程案例，提出了有效保护地铁隧道的工程措施。文献［2］研究

了新加坡基坑开挖影响相邻隧道的力学理论，并应用数值法与实测结果进行比较，

得出有效预测隧道变形的趋势。文献［3］、［4］以上海广场基坑工程为背景，

结合软土基坑回弹变形的残余应力法，探讨了应用坑内加固及利用基坑时空效应施

工等措施控制坑底隧道位移的有效性。

由于基坑开挖卸荷将改变下方地铁隧道的应力场，使其产生不均匀的回弹变形和附

加应力，从而对其安全稳定构成威胁。如何采取有效的技术措施将基坑开挖对其下

方地铁隧道的影响降至最小，以保证地铁运营安全，已成为整个基坑工程成败的关

键。然而，基坑开挖卸荷引起的坑底隆起、坑侧土体侧向位移等问题与一般土工加

载问题所表现的特性明显不同。用常规的土工加载试验参数进行基坑工程的数值分

析与计算必然会产生较大的误差。本文结合天津西站交通枢纽工程，通过研究基坑

开挖卸荷对土体物理力学指标的影响，使用有限元模拟分析方法对上部基坑开挖过

程中地铁隧道的回弹变形做出数值分析，并与实测数据进行对比，以实现基坑开挖

过程中对下方隧道变形的有效预测。

1卸荷土体的物理力学特性

基坑工程的特殊性在于开挖卸荷，其不同部位土体卸荷的应力路径是完全不一样的

［5］。现以基坑开挖平面应变问题为例。如图1所示，基坑开挖卸荷过程对周围

土体的影响区域可分为以下3个部分：

图1基坑开挖卸荷影响区域划分

1）基坑外侧（侧向卸荷）：随着基坑开挖的进行，支护结构发生侧向位移，水平

方向地基应力逐渐减小，即侧向卸荷；竖直方向的自重应力基本保持不变。侧向水

平方向应力值处于静止土压应力与主动土压应力之间。随着挖掘深度的增加，坑壁

的水平位移不断加大，侧向水平方向应力值由静止土压应力状态发展为主动土压应

力极限状态。其应力路径如图2中的AB所示。

图2应力路径示意图

2）基坑底部（轴向卸荷）：基坑底部以下的地基土在上部土体开挖后，上覆压力

减小，竖直方向自重应力减少，即轴向卸荷。随着坑底隆起及支护结构向内移动，

水平方向应力可能增加也可能减小。一般可将土单元体简化为水平向应力不变，竖

直向应力减小。应力路径如图2中的AC所示。

3）过渡区域：该部分土体位于基坑外侧和底部之间，因而，在基坑土体开挖过程

中，水平及竖直方向的应力均发生变化，使得主应力方向发生偏转。其应力路径如

图2所示，界于AB与AC之间。

基坑工程中土体强度参数的确定以常规三轴试验为主。即，在各向等压固结结束后，

保持围压不变，增加轴向压力至土体剪切破坏。其应力路径如图2中的ODAE所

示，与基坑开挖卸荷过程中土体的应力路径截然不同。事实上，基坑开挖的卸荷过

程改变了地基土的初始应力状态，土体的力学特性也会随之变化。因此，模拟基坑

开挖过程的试验研究对基坑工程的设计计算具有一定的指导意义。

以基坑围护结构后侧饱和土体在开挖过程中的应力－应变曲线为研究对象，进行经

历侧向